丁家峰    中南工业大学
　　【摘要】介绍了LEM 电流传感器在进行变电站高电压侧各绝缘性能在线监测系统中的应用，并对传感器的特性，标准电压信号的选取，误差的来源及其分析，测量电路的电路构成，在线测量系统存在的问题进行了讨论。
　　关键词：电流传感器;  在线监测;  介电常数;  高电压
1 引言
   在线监测电容型设备的绝缘介电特性，对保证设备安全可靠运行，防止事故的发生会起到很好的作用。
   为了不影响设备原有的接线方式，在介电特性监测中，一般要采用环型铁芯结构的电流传感器套在设备接地线上，抽取设备绝缘的泄漏电流信号。这种信号抽取方式将测量电路与主电路隔开，其没有电的直接联系，可使二次测量设备及橄型计算机免受主电路中危险过电压造成的破坏.              
   介电特性在线监测系统的基本原理如图1所示。通过对电压、电流信号的相位和幅值进行比较，由计算机系统得到有关电容值和介损值的信息。在这个过程中，电流信号的采样是一个非常关健的环节。为了准确反映被测设备的真实状态，在线监视系统对这种电流传感器提出的要求是:
(1)能够适用于洲f小电流(mA级)的要求，灵敏度高，同时二次输出信号电压尽可能高。
(2)在测量范围内线性度好，输出波形不畸变，被测电流与输出信号电压之间固有相位差变化小。
(3)工作稳定性好，温度系数小而且稳定，结构简单，体积小。
   为此，本系统中选择了LEM电流传感器。
2 LEM电流传感器的工作原理
   LEM电流传感器是一种模块化的有源电子传感器。它的突出优点在于把普通传感器与霍尔器件、电子电路有机地结合起来，这样既发挥了普通传感器的测量范围大的优势，又利用了电子电路反应速度快的长处。图2是LEM电流传感器的原理图。
               
   LEM模块的工作原理是磁场平衡式的，即主电流回路所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。其具体工作过程为:当主回路有一大电流IP流过时，会在导体周围产生一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并作用于霍尔器件，使其有一个信号输出，这一信号经放大器A放大，输入到功率放大器中，这时，相应的功率管的导通压降改变，从而获得一个补偿电流Is，由于Is流过多匝绕组，使多匝导线产生一磁场Hs，而Hs与主电流Ip所产生的磁场Hp相反，因而补偿了原来的磁场，从而使霍尔器件输出的信号逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的磁场与Ip所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时霍尔器件就可起到零磁通检测作用。
   上述平衡过程是在非常短的时间内完成的，所需时间在1ns之内。这是一个动态平衡过程，即主电路电流Ip的任何变化都会破坏这一平衡磁场，而一旦磁场失去平衡，霍尔器件就会有信号输出，在经放大器放大后，立即就会有相应的电流流过次级线圈进行补偿。因此，从宏观上看，次级补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样，即 
                   
   式中:N，为原级匝数;N.为次级匝数;I，为原级电流;I。为次级电流。
在实际应用LEM模块时，通过测量电阻RM上的电压VM可间接求出Is,从而得到电流Ip。实际上，在原级匝数Np、次级匝数Ns一定的情况下，次级电流的最大值Immax即决定了原级电流(被测电流)的最大值Ipmax. Ipmax可由下式表达: 
              
  式中:Vs为外接电源电压;Vces为模块内功率管的饱和压降，VCES应小于3V，一般VCES=0.5V;Rt为次级线圈电阻(或称副边电阻、内部电阻); RM为外接测量电阻。
                   
3 实验
   在线监测系统的基本原理如图3所示，对比的参考信号来自电压互感器。电流采用单匝穿心式。介电特性测试仪可分时处理256路来自电流传感器的取样信号和3路来自PT的信号。整机由ATMEL公司的微处理器芯片AT89C51控制，由于电子式多路开关会对取样信号带来较严重的噪声和一些不确定的因素，信号切入均采用机械式干黄管继电器。电路中有两个通道，通道1通过参考信号，通道2则分时通过参考信号与电流传感器的取样信号，通过微处理器对数据处理后，就能够消除电路对相角和幅值所产生的误差。信号经鉴相后输入MCU进行脉宽测量，再经MCU数据处理后获得介质损耗变化、信号频率的信息。信号经AC一DC变换，A/D变换后输入MCU进行信号幅值的测量，以获得电容量、电压，泄漏电流的信息。这些信息通过液晶显示器显示，同时由微型打印机打印出来，也可以通过Modem和一个RS232接口输入到上位机进行集中控制和采样。
   由于在线监测系统的传感器安在室外，现场的环境温度变化对测量结果有一定的影响，所以在线检测系统有必要进行温度校正。本系统在现场安装了温度传感器DS1820。这种器件是一种由单片机集成电路构成的单信号数字化温度传感器，它可将被测温度直接转换成数字信号输出，温度值不需要经电桥电路获取电压模拟,再经信号放大和模数转换变为数字信号，从而避免了传统传感器存在的参数不一致，以及在更换器件时因放大器零漂问题而需对电路重新调整所带来的困扰。DS1820的测温范围为一55℃十125℃，分辨率为士0.5℃，输出为9位的二进制读数，串行输入到MCU后, 由MCU根据温度的变化对测量数据进行校正。
4 实验结果
   在上网之前，该仪器在实验室进行了模拟试验，试验接线如图4所示，其中被试的为标准介损器。表1为模拟测试数据，从表中可以看出，能准确测量触电容量和介损角。
                        
   目前,该仪器已在某变电站进行了挂网运行、表2中列出了其中5台设备在运行半年中所测得的数据。在此期间，设备在试验前和半年后均采用停电检测的方法,并用瑞士电桥检测过，其数据也列于表2中。从表中数据可以看出，数据有较好的稳定性。 
 
5 结论
   LEM电流传感器模块是一种适合作电力工频信号的电流传感器，但在使用时，要获得最佳的动态特性和灵敏度，必须注意副边有合适的安匝数，原、付边线圈达到最佳的耦合以及大小合适的采样电阻。用LEM电流传感器给测量带来的误差，可由统计分析的方法予以校正。
   另外,LEM电流传感器有一定大小的温度系数，现场应用时,需要进行温度校正。实际使用证明:本介电特性在线监测方法作为常规停电预测的代替措施是可行的。